本发明属于纳米碳催化剂的制备及苯乙酮的合成技术领域，具体涉及一种掺氮纳米碳催化剂催化乙苯氧化反应制备苯乙酮的方法。
背景技术：
我国化工业蓬勃发展，苯乙酮作为有机合成的中间体，在化工生产中的应用越来越广泛。目前，苯乙酮的制备主要由芳香烃侧链的选择性氧化来完成。对于大多数氧化反应，其目标产物的选择性难以控制，从而造成原料的浪费以及产物分离难度较大，故选择合适的原料进行反应至关重要。
乙苯是最简单的取代芳香烃，通过催化剂直接活化乙苯分子中α-h键形成c=o键，因为芳环侧链上的α-h原子受到芳环的影响，容易被氧化。因此利用乙苯氧化合成苯乙酮具有重大经济效益和环境效益。但该反应也存在副产物多，能耗较大，苯乙酮的产率低以及催化剂原料昂贵或制备复杂等缺点。当前乙苯氧化制苯乙酮多使用金属或金属氧化物作为催化剂，存在选择性低，产物不易分离等问题。贵金属催化剂比如pd、rh等在乙苯氧化制备苯乙酮中具有较高的选择性，但是价格昂贵、利用率低且成本较高。因此，寻找一个廉价、制备简单的高效绿色的催化剂是当前乙苯氧化制备苯乙酮亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是提供了一种掺氮纳米碳催化剂催化乙苯氧化反应制备苯乙酮的方法，掺氮纳米碳催化剂在乙苯氧化反应中具有较高的催化活性和选择性，制得目标产物苯乙酮的收率较高。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，掺氮纳米碳催化剂催化乙苯氧化反应制备苯乙酮的方法，其特征在于具体步骤为：
将掺氮纳米碳催化剂、乙苯、叔丁基过氧化氢和超纯水加入到带有螺帽的石英玻璃反应管中，超声后进行密封，再将反应管置于80℃的油浴锅中搅拌反应24h，反应结束冷却至室温得到苯乙酮，其中掺氮纳米碳催化剂的选择性达到93%以上，乙苯的转化率达到40%以上；
所述掺氮纳米碳催化剂的具体制备过程为：取氧化石墨胶体在超声波为100w的条件下超声3～5h，在室温下将超声后的氧化石墨胶体加入到谷氨酰胺中，搅拌至完全溶解后于80～100℃老化凝胶，密封静置得到片层聚合物，然后在惰性气氛中于700～900℃煅烧制得掺氮纳米碳催化剂。
进一步优选，所述掺氮纳米碳催化剂、乙苯、叔丁基过氧化氢与超纯水的投料配比为5～7.5mg:50mg:135mg:20～40ml。
进一步优选，所述氧化石墨胶体与谷氨酰胺的投料质量比为0.05:0.2～0.4。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明制得的掺氮纳米碳催化剂是乙苯氧化制备苯乙酮理想的催化剂，有效解决了传统工艺中乙苯氧化反应存在的反应速率慢、苯乙酮收率低及反应过程对环境危害大等技术难题；
2、本发明制得的掺氮纳米碳催化剂无需搭载活性组分直接作为催化剂用于催化乙苯氧化反应制备苯乙酮，操作简单，成本低廉，符合产业化应用价值；
3、本发明制得的掺氮纳米碳催化剂催化反应制得目标产品苯乙酮的收率较高且副产物较少，在催化乙苯氧化反应中选择性达到93%以上，比现有技术高20%～30%，乙苯转化率达到40%以上，苯乙酮的收率达到47%以上。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的掺氮纳米碳催化剂的扫描电镜图；
图2是本发明实施例1制得的掺氮纳米碳催化剂的红外光谱分析图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
取0.05g氧化石墨胶体在超声波为100w的条件下超声3h，在室温下，称取0.4g谷氨酰胺，加入超声后的氧化石墨胶体，搅拌至完全溶解后于80℃老化凝胶，密封静置得到片层聚合物，在惰性气氛中于700℃煅烧制得掺氮纳米碳催化剂。
取5mg掺氮纳米碳催化剂、50mg乙苯、135mg叔丁基过氧化氢和40ml超纯水加入到带有螺帽的石英玻璃反应管中，超声后进行密封，将反应管置于80℃油浴锅中搅拌反应24h，反应结束冷却至室温得到苯乙酮，掺氮纳米碳催化剂的选择性达到96%，乙苯的转化率达到46%。
实施例2
取0.05g氧化石墨胶体在超声波为100w的条件下超声5h，在室温下，称取0.2g谷氨酰胺，加入超声后的氧化石墨胶体，搅拌至完全溶解后于100℃老化凝胶，密封静置得到片层聚合物，在惰性气氛中于900℃煅烧制得掺氮纳米碳催化剂。
取7mg掺氮纳米碳催化剂、50mg乙苯、135mg叔丁基过氧化氢和20ml超纯水加入到带有螺帽的石英玻璃反应管中，超声后进行密封，将反应管置于80℃油浴锅中搅拌反应24h，反应结束冷却至室温得到苯乙酮，掺氮纳米碳催化剂的选择性达到93%，乙苯的转化率达到40%。
实施例3
取0.05g氧化石墨胶体在超声波为100w的条件下超声4h，在室温下，称取0.35g谷氨酰胺，加入超声后的氧化石墨胶体，搅拌至完全溶解后于90℃老化凝胶，密封静置得到片层聚合物，在惰性气氛中于850℃煅烧制得掺氮纳米碳催化剂。
取7.5mg掺氮纳米碳催化剂、50mg乙苯、135mg叔丁基过氧化氢和30ml超纯水加入到带有螺帽的石英玻璃反应管中，超声后进行密封，将反应管置于80℃油浴锅中搅拌反应24h，反应结束冷却至室温得到苯乙酮，掺氮纳米碳催化剂的选择性达到97%，乙苯的转化率达到48%。
实施例4
取0.05g氧化石墨胶体在超声波为100w的条件下超声3.5h，在室温下，称取0.35g谷氨酰胺，加入超声后的氧化石墨胶体，搅拌至完全溶解后于85℃老化凝胶，密封静置得到片层聚合物，在惰性气氛中于750℃煅烧制得掺氮纳米碳催化剂。
取6.5mg掺氮纳米碳催化剂、50mg乙苯、135mg叔丁基过氧化氢和25ml超纯水加入到带有螺帽的石英玻璃反应管中，超声后进行密封，将反应管置于80℃油浴锅中搅拌反应24h，反应结束冷却至室温得到苯乙酮，掺氮纳米碳催化剂的选择性达到96%，乙苯的转化率达到48%。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。